KR20140040479A - 다관절 암을 가진 장치 및 중력 보상 방법 - Google Patents

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KR20140040479A
KR20140040479A KR1020120107191A KR20120107191A KR20140040479A KR 20140040479 A KR20140040479 A KR 20140040479A KR 1020120107191 A KR1020120107191 A KR 1020120107191A KR 20120107191 A KR20120107191 A KR 20120107191A KR 20140040479 A KR20140040479 A KR 20140040479A
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심현식
김용재
이나래
이연백
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삼성전자주식회사
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    • B25J9/06—Programme-controlled manipulators characterised by multi-articulated arms

Abstract

본 발명은 다관절 암을 가진 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 다관절 암을 가진 장치는 바디; 제 1 관절에서 상기 바디에 회전가능 하게 결합 되는 제 1 링크와, 제 2 관절에서 상기 제 1 링크에 회전가능 하게 결합 되는 제 2 링크를 포함하는 다관절 암; 및 상기 다관절 암의 무게에 의해 발생 되는 모멘트를 상쇄하는 보상 모멘트를 발생시키는 보상 유닛을 포함하되, 상기 보상유닛은, 상기 보상 모멘트를 발생시키는 보상 부하; 및 상기 보상 부하가 상기 제 1 관절을 기준으로 상기 다관절 암의 반대 방향에 위치되도록, 상기 보상 부하와 상기 다관절 암을 연결하는 보상 링크를 포함한다.

Description

다관절 암을 가진 장치 및 중력 보상 방법{Apparatus comprising multi-jointed arm gravity compensating method}
본 발명은 다관절 암을 가진 장치 및 중력 보상 방법에 관한 것이다.
로봇은 산업현장에서 작업자의 작업을 보조하거나, 작업자가 직접 수행하기 어려운 작업을 대신 수행한다. 또한, 최근에는 가정에서 사람에게 생활의 편의를 제공하는 로봇, 사람이 직접 착용하여 사람의 운동을 보조하는 로봇 등이 개발되고 있다.
로봇의 관절에는 로봇을 구동하는 동력을 제공하는 구동기가 제공된다. 로봇에는 작업물의 중량으로 인한 작업부하 및 로봇의 자중에 의한 자중부하가 작용된다. 구동기는 작업부하 및 자중부하에 대응하는 토크를 갖는 것이 선택된다. 구동기가 제공하는 토크 중 자중부하에 대응하는 값은 로봇이 하는 작업에 사용되지 않고 낭비된다.
본 발명은 효율적으로 구동될 수 있는 다관절 암을 가진 장치 및 중력 보상 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 바디; 제 1 관절에서 상기 바디에 회전가능 하게 결합 되는 제 1 링크와, 제 2 관절에서 상기 제 1 링크에 회전가능 하게 결합 되는 제 2 링크를 포함하는 다관절 암; 및 상기 다관절 암의 무게에 의해 발생 되는 모멘트를 상쇄하는 보상 모멘트를 발생시키는 보상 유닛을 포함하되, 상기 보상유닛은, 상기 보상 모멘트를 발생시키는 보상 부하; 및 상기 보상 부하가 상기 제 1 관절을 기준으로 상기 다관절 암의 반대 방향에 위치되도록, 상기 보상 부하와 상기 다관절 암을 연결하는 보상 링크를 포함하는 다관절 암을 가진 장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 제 1 관절에서 바디에 회전 가능하게 결합되는 제 1 링크 및 상기 제 1 링크에 회전 가능하게 결합되는 제 2 링크를 포함하는 다관절 암에 작용하는 모멘트들 상쇄하는 중력 보상 방법에 있어서, 상기 제 1 관절을 기준으로 상기 다관절 암의 단부의 반대 방향에 보상 부하를 위치시켜 상기 모멘트를 상쇄하되, 상기 보상 부하에 의한 보상 모멘트는 상기 모멘트와 반대 방향으로 발생 되는 중력 보상 방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 의하면, 다관절 암을 가진 장치를 효율적으로 구동할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다관절 암을 가진 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 다관절 암의 개략도이다.
도 3은 도 2의 등가 모델을 나타내는 도면이다.
도 4는 보상 부하가 작용 되는 위치를 나타내는 도면이다.
도 5 및 도 6은 도 1의 다관절 암에 보상 부하가 작용 되는 모습을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 보상 유닛을 갖는 다관절 암을 나타내는 도면이다.
도 8은 도 7의 다관절 암의 개략도이다.
도 9 및 도 10은 도 7에서 제 1 링크 및 제 2 링크가 등가변환 된 상태를 나타내는 개략도이다.
도 11은 다른 실시 예에 따른 보상 유닛을 갖는 다관절 암을 나타내는 도면이다.
도 12는 도 11의 다관절 암의 개략도이다.
도 13은 또 다른 실시 예에 따른 보상 유닛을 갖는 다관절 암을 나타내는 도면이다.
도 14는 도 13을 간략히 나타낸 도면이고, 도 15는 도 14를 간략히 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해 과장되었다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다관절 암을 가진 장치를 나타내는 도면이다.
다관절 암을 가진 장치(10)는 휴머노이드 로봇, 의료용 로봇, 공업용 기계, 공업용 로봇, 재활보조 장치, 로봇 슈트 또는 서비스 로봇일 수 있다. 또한, 다관절 암을 가진 장치(10)는 가정에서 사람의 생활을 보조하는 가정용 로봇 또는 애완용 로봇일 수 있다.
도 1 및 후술할 도 7을 참조하면, 다관절 암을 가진 장치(10)는 바디(100), 다관절 암(200) 및 보상 유닛(도 7의 540)을 포함한다.
바디(100)는 상술한 로봇 또는 장치의 프레임으로 제공된다. 바디(100)에는 다관절 암(200)이 복수 제공될 수 있다. 다관절 암(200)은 상부 암(210) 및 하부 암(220)을 포함한다. 상부 암(210)은 바디(100)에 회전가능하게 결합 된다. 바디(100) 또는 상부 암(210)에는 제 1 구동기(211)가 제공될 수 있다. 제 1 구동기(211)는 상부 암(210)이 바디(100)에 대해 회전되는 동력을 제공한다. 하부 암(220)은 상부 암(210)에 회전가능하게 결합 된다. 상부 암(210) 또는 하부 암(220)에는 제 2 구동기(221)가 제공될 수 있다. 제 2 구동기(221)는 하부 암(220)이 상부 암(210)에 대해 회전되는 동력을 제공한다. 구동기(211, 221)는 전기 모터 또는 유압 실린더 등으로 제공될 수 있다. 하부 암(220)의 단부에는 작업 부재(230)가 제공될 수 있다. 작업 부재(230)는 다관절 암(200)의 용도에 따라 상이하게 제공될 수 있다. 예를 들어, 작업 부재(230)는 로봇 핸드, 도장 건, 드릴, 촬영용 카메라, 용접기 또는 센서 등일 수 있다.
보상 유닛(540)은 보상 모멘트를 발생시킨다. 다관절 암(200)에는 다관절 암(200)의 무게에 의한 모멘트가 작용한다. 모멘트는 구동기(211, 221)에 요구되는 토크를 증가시킨다. 보상 유닛에서 발생 되는 보상 모멘트가 모멘트를 상쇄시키면, 구동기(211, 221)에 요구되는 토크가 줄어든다. 따라서, 보상 유닛(540)이 제공되면, 구동기(211, 221)의 크기가 작아지고, 구동기(211, 221)가 소비하는 에너지가 감소된다.
도 2는 도 1의 다관절 암의 개략도이다.
도 2를 참조하면, 상부 암(210)은 제 1 링크(310)로 단순화되고, 하부 암(220)은 제 2 링크(320)로 단순화될 수 있다. 제 1 링크(310)가 바디(100)에 결합 된 부분은 제 1 관절(311)이 되고, 제 2 링크(320)가 제 1 링크(310)에 결합 된 부분은 제 2 관절(312)이 된다. 제 1 링크(310)의 질량은 제 1 링크(310) 상의 제 1 무게 중심(312)에 모여 있는 것으로 가정될 수 있다. 그리고, 제 2 링크(320)의 질량은 제 2 링크(320) 상의 제 2 무게 중심(322)에 모여 있는 것으로 가정될 수 있다. 작업 부재(230)는 제 2 링크(320)의 단부에 위치되는 질량(323)으로 단순화될 수 있다.
도 3은 도 2의 등가 모델을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 다관절 암(200)은 제 1 등가 링크(410), 제 2 등가 링크(420) 및 등가 질량(430)을 갖는 가상의 등가 모델로 변환될 수 있다. 제 1 등가 링크(410) 및 제 2 등가 링크(420)는 질량을 갖지 않는 가상의 링크이다. 제 1 등가 링크(410)와 바디(100)가 이루는 각도는 제 1 링크(310)와 바디(100)가 이루는 각도와 항상 동일하다. 제 2 등가 링크(420)는 제 1 등가 링크(410)에 대해 회전된다. 제 2 등가 링크(420)가 제 1 등가 링크(410)와 이루는 각도는 제 2 링크(320)가 제 1 링크(310)와 이루는 각도와 동일하게 제공된다. 제 2 등가 링크(420)와 제 2 링크(320)는 동일한 각도로 회전된다. 등가 질량(430)은 제 1 링크(310)의 질량, 제 2 링크(320)의 질량 및 작업 부재(230)의 질량의 합과 동일하다. 등가 질량(430)은 제 2 링크(320)의 단부에 위치된다. 이하 수학식에서, 제 1 링크(310)의 길이를 l1, 제 2 링크(320)의 길이를 l2, 제 1 링크(310)의 질량을
Figure pat00001
, 제 2 링크(320)의 질량을
Figure pat00002
, 작업 부재(230)의 질량을
Figure pat00003
라 한다. 그리고, 제 1 관절(311)에서 제 1 무게 중심(312)까지의 거리를
Figure pat00004
, 제 2 관절(312)에서 제 2 무게 중심(322)까지의 거리를
Figure pat00005
라 한다. 또한, 제 1 등가 링크(410)의 길이를
Figure pat00006
, 제 2 등가 링크(420)의 길이를
Figure pat00007
, 등가 질량(430)의 크기를
Figure pat00008
라 한다.
제 1 관절(311)을 회전축으로 하여 다관절 암(200)에 작용하는 Z축 방향의 모멘트는 다음의 수학식 1과 같다.
Figure pat00009
Figure pat00010
이때, θ₁은 제 1 링크(310)와 X축이 이루는 각도이고, θ₂ 제 2 링크(320)와 제 1 링크(310)가 이루는 각도이다. 그리고, z는 등가 모델에서 제 1 관절(311)로부터 등가 질량(430)까지의 Z축 상의 거리이다.
그리고, 제 1 관절(311)을 회전축으로 하여 다관절 암(200)에 작용하는 X축 방향의 모멘트는 다음 수학식 2와 같다.
Figure pat00011
Figure pat00012
x는 등가 모델에서 제 1 관절(311)로부터 등가 질량(430)까지의 X축 상의 거리이다.
또한, 제 1 링크(310)의 질량, 제 2 링크(320)의 질량, 작업 부재(230)의 질량 및 등기질량의 크기와는 다음과 같은 관계가 성립된다.
Figure pat00013
제 1 링크(310)가 X축 상에 위치되는 경우, θ₁은 0°가 된다. θ₁이 0°일 때, 수학식 1은 다음과 같이 단순화 된다.
Figure pat00014
그리고, θ₁이 0°일때, 수학식 2는 다음과 같이 단순화된다.
Figure pat00015
수학식 4 및 수학식 5에서 삼각함수의 계수 부분은 다음과 같이 정의될 수 있다.
Figure pat00016
그리고, 수학식 5에서 상수 부분은 다음과 같이 정의될 수 있다.
Figure pat00017
수학식 6 및 수학식 7을 수학식 4 및 수학식 5에 대입하면, 수학식 4 및 수학식 5는 다음과 같이 단순화된다.
Figure pat00018
Figure pat00019
수학식 8 및 수학식 9를 삼각함수의 제곱공식을 이용해 정리하면 다음과 같다.
Figure pat00020
수학식 10은 반지름이 A인 원을 나타낸다. 원의 중심은 제 1 관절(311)에서 X축 방향으로 B만큼 떨어진 곳에 위치된다.
등가 모델에서, θ₁이 0°이면, 제 1 등가 링크(410)는 X축 상에 위치된다. 제 2 등가 링크(420)는 제 1 등가 링크(410)의 단부에서 회전된다. 등가 질량(430)이 이동되는 궤적은 제 2 등가 링크(420)의 길이를 반지름으로 하는 원이다. 따라서, 등가 질량(430)의 궤적인 원의 중심에서 제 1 관절(311)까지의 거리는 제 1 등가 링크(410)의 길이이고, 원의 반지름은 제 2 등가 링크(420)의 길이가 된다. 수학식 10을 참조하면, 제 1 등가 링크(410)의 길이와 제 2 등가 링크(420)의 길이는 다음과 같다.
Figure pat00021
Figure pat00022
도 4는 보상 부하가 작용 되는 위치를 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 제 1 관절(311)을 기준으로 다관절 암(200)의 반대쪽에는 제 1 가상 라인(440) 및 제 2 가상 라인(450)이 위치된다. 제 1 가상 라인(440)은 제 1 링크(310) 및 제 1 등가 링크(410)와 180°의 위상차를 갖는다. 예를 들어, 제 1 링크(310) 및 제 1 등가 링크(410)가 X축과 θ₁의 각도를 이루는 경우, 제 1 가상 라인(440)은 X축과 180°+θ₁의 각도를 이룬다. 제 1 가상 라인(440)은 제 1 링크(310) 및 제 1 등가 링크(410)와 동일한 각도로 제 1 관절(311)을 축으로 회전된다. 따라서, 제 1 가상 라인(440)이 제 1 링크(310) 및 제 1 등가 링크(410)와 이루는 각도는 항상 180°로 유지된다.
제 2 가상 라인(450)은 제 1 가상 라인(440)의 단부에서 회전된다. 제 2 가상 라인(450)과 제 1 가상 라인(440)이 이루는 각도는 제 1 링크(310)와 제 2 링크(320)가 이루는 각도와 동일하다. 따라서, 제 2 가상 라인(450)이 제 1 가상 라인(440)과 이루는 각도는 제 1 등가 링크(410)가 제 2 등가 링크(420)와 이루는 각도와 동일하다. 제 2 가상 라인(450)의 길이와 제 1 가상 라인(440)의 길이가 갖는 비율은 제 2 등가 링크(420)의 길이와 제 1 등가 링크(410)의 길이가 갖는 비율과 동일하게 제공될 수 있다. 따라서, 제 2 가상 라인(450)의 단부에서 제 2 등가 링크(430)의 단부를 잊는 직선은 제 1 관절(311)을 지난다.
보상 부하(F)는 제 2 가상 라인(450)의 단부에 작용된다. 보상 부하(F)는 제 1 관절(311)을 기준으로 등가 질량(430)의 반대쪽에 위치된다. 보상 부하(F)의 위치와 등가 질량(430)을 잊는 직선은 제 1 관절(311)을 지난다. 따라서, 제 1 관절(311)을 축으로 보상 부하(F)에 의해 발생 되는 모멘트는 등가 질량(430)에 의해 발생되는 모멘트와 반대방향으로 작용한다.
보상 부하(F)의 크기는 보상 부하(F)에 의해 발생 되는 모멘트가 등가 질량(430)에 의해 발생 되는 모멘트를 상쇄할 수 있도록 선택된다. 예를 들어, 보상 부하(F)의 크기는 보상 부하(F)에 의한 모멘트의 크기가 등가 질량(430)에 의한 모멘트의 크기와 동일하게 되도록 선택될 수 있다. 보상 부하(F)에 의한 보상 모멘트의 크기가 등가 질량(430)에 의한 모멘트의 크기와 동일한 경우, 다음과 같은 관계가 성립된다.
Figure pat00023
따라서, 보상 부하(F)의 크기는 다음과 같다.
Figure pat00024
도 5 및 도 6은 도 1의 다관절 암에 보상 부하가 작용 되는 모습을 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 다관절 암(200)은 Z축을 기준으로 회전할 수 있다. 예를 들어, 제 1 링크(310) 및 제 1 등가 링크(410)는 X축에 대해 θ₃의 각도를 갖도록 회전될 수 있다. 다관절 암(200)이 Z축을 기준으로 회전하는 경우에도, 제 1 링크 등가(410), 제 2 등가 링크(420), 제 1 가상 라인(440) 및 제 2 가상 라인(450)은 동일한 평면상에 위치된다. 따라서, 제 1 관절(311)이 Z축을 중심으로 회전하는 경우에도, 등가 질량(430)에 의한 모멘트는 보상 부하(F)에 의해 상쇄된다.
도 6을 참조하면, 제 2 관절(312)은 제 1 링크(310)의 길이방향을 축으로 하여 회전될 수 있다. 예를 들어, 제 1 관절(311)이 제 1 링크(310)의 길이방향을 축으로 회전 가능하게 제공될 수 있다. 또는, 제 1 링크(310)는 제 1 관절(311)과 제 2 관절(312) 사이가 회전 가능하게 제공될 수 있다. 제 2 관절(312)이 회전되면, 제 2 링크(320)는 제 2 관절(312)을 중심으로 원을 그리며 회전된다. 제 1 가상 라인(440)은 제 1 링크(310)와 동일하게 회전되도록 제공된다. 따라서, 제 1 링크(310)가 그 길이방향을 축으로 회전되어도, 제 1 링크(310), 제 2 링크(320), 제 1 가상 라인(440) 및 제 2 가상 라인(450)은 동일한 평면상에 위치된다. 제 1 링크(310)를 지나는 축을 기준으로 다관절 암(200)에 작용하는 모멘트(
Figure pat00025
)는 다음과 같다.
Figure pat00026
그리고, 보상 부하(F)에 의해 제 1 링크(310)를 지나는 축을 기준으로 다관절 암(200)에 작용하는 보상 모멘트(
Figure pat00027
)는 다음과 같다.
Figure pat00028
Figure pat00029
따라서, 보상 부하(F)는 제 1 링크(310)가 그 길이방향을 지나는 축을 기준으로 회전되는 경우에 발생하는 모멘트를 상쇄한다. 상술한 바와 같이, 다관절 암(200)의 제 1 관절(311)은 X-Y 평면에 수직한 방향 및 X-Y 평면에 나란한 방향으로 회전될 있다. 또한, 제 2 관절(312)은 제 1 링크(310)의 길이방향을 축으로 회전될 수 있다. 그리고, 제 2 링크(320)는 제 1 관절(311)에 대해 회전 가능하게 제공된다. 따라서, 다관절 암(200)은 총 4 자유도를 가질 수 있다. 보상 부하(F)는 4 자유도의 다관절 암(200)에서, 자중에 의해 발생하는 모멘트를 상쇄한다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 보상 유닛을 갖는 다관절 암을 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 다관절 암(500)에는 보상 유닛(540)이 연결된다. 다관절 암(500)은 제 1 링크(512) 및 제 2 링크(521)를 포함한다. 제 1 링크(512)는 제 1 관절(511)에 회전가능하게 결합 된다. 제 2 링크(521)는 제 2 관절(531)에서 제 1 링크(512)에 회전가능 하게 결합 된다. 제 2 링크(521) 상에는 작업 부재(523)가 위치될 수 있다. 또한, 작업 부재(523)는 생략될 수 있다.
보상 유닛(540)은 제 1 보상 링크(541) 및 제 2 보상 링크(542)를 포함한다. 제 1 보상 링크(541)는 제 1 관절(511)에서 제 1 링크(512)의 반대 방향으로 연장된다. 제 1 보상 링크(541)는 제 1 링크(512)와 직선을 이루도록 제공될 수 있다. 제 1 보상 링크(541)는 제 1 관절(511)에 대해 제 1 링크(512)와 동일한 각도로 회전된다. 예를 들어, 제 1 보상 링크(541)의 단부는 제 1 링크(512)의 단부와 연결되도록 제공될 수 있다. 제 2 보상 링크(542)는 보상 관절(543)에서 제 1 보상 링크(542)에 회전 가능하게 결합 된다. 제 2 보상 링크(542)가 제 1 보상 링크(541)와 이루는 각도는 제 2 링크(521)가 제 1 링크(512)와 이루는 각도와 동일하게 제공된다. 제 2 보상 링크(542) 상에는 후술할 보상 부하(도 9의 545, 도 10의 546)가 위치된다. 제 1 보상 링크(541)는 제 1 관절(511)에서 보상 관절(543)까지 제 1 가상 라인을 이루고, 제 2 보상 링크(542)는 보상 관절(543)에서 보상 부하(544, 545)까지 제 2 가상 라인을 이룬다.
제 2 보상 링크(542)는 제 2 링크(521)와 동일한 방향으로 회전되도록 제공된다. 예를 들어, 제 2 관절(531)에는 제 1 회전체(532)가 제공될 수 있다. 제 1 회전체(532)는 제 2 링크(521)와 함께 회전되도록 제공된다. 보상 관절(543)에는 제 2 회전체(534)가 제공될 수 있다. 제 2 회전체(534)는 제 1 회전체(532)와 동일한 방향으로 회전되도록 제공된다. 예를 들어, 제 1 회전체(532)와 제 2 회전체(534)는 위치 이동 부재(535)로 연결된다. 제 1 회전체(532)가 회전되면, 위치 이동 부재(535)로 연결된 제 2 회전체(534)도 동일한 방향으로 회전된다. 제 2 회전체(534)는 제 1 회전체(532)와 동일한 반경을 갖도록 제공될 수 있다. 제 2 회전체(534)가 회전되는 각도는 제 1 회전체(532)가 회전되는 각도와 동일하게 된다. 제 2 보상 링크(542)는 제 2 회전체(534)와 동일한 각도로 회전되도록 제공된다. 따라서, 제 2 링크(521)와 제 2 보상 링크(542)는 동일한 방향으로 동일한 각도만큼 회전된다. 위치 이동 부재(535)는 벨트로 제공될 수 있다.
도 8은 도 7의 다관절 암의 개략도이다.
도 7은 도 8과 같이 단순화될 수 있다. 제 1 링크(512)상에는 제 1 무게 중심(515)이 위치되고, 제 2 링크(521) 상에는 제 2 무게 중심(524)이 위치된다. 제 1 무게 중심(515)은 제 1 링크(512) 및 제 1 보상 링크(541)의 무게 중심이고, 제 2 무게 중심(524)은 제 2 링크(521)의 무게 중심이다. 제 2 링크(521)의 단부에는 작업 부재(523)의 질량이 위치된다. 또한, 작업 부재(523)가 생략된 경우 작업 부재(523)의 질량도 생략된다. 제 2 보상 링크(542) 상에는 제 3 무게 중심(544)이 위치된다.
도 9 및 도 10은 도 7에서 제 1 링크 및 제 2 링크가 등가 변환된 상태를 나타내는 개략도이다.
도 9를 참조하면, 다관절 암(500)은 가상의 등가 모델로 변환될 수 있다. 제 1 등가 링크(551), 제 2 등가 링크(552) 및 등가 질량(553)은 도 1 내지 도 3의 과정으로 구해진다. 제 1 가상 라인(513)의 길이, 제 2 가상 라인(514)의 길이 및 보상 부하(F)의 크기는 수학식 13 또는 수학식 14를 통해 구할 수 있다. 제 2 보상 링크(542)의 길이는 제 2 가상 라인(514)의 길이보다 길게 제공될 수 있다. 제 3 무게 중심(544)은 제 2 가상 라인(514)의 단부에 위치된다. 따라서, 제 3 무게 중심(544)은 보상 부하(545)의 위치와 동일하게 된다. 보상 부하(545)는 제 3 무게 중심(544)에 추가질량을 위치시켜 제공될 수 있다. 추가질량의 크기는 다음과 같이 제공될 수 있다.
Figure pat00030
는 추가질량의 크기를 나타내고,
Figure pat00031
는 제 2 보상 링크(542)의 질량을 나타낸다.
Figure pat00032
도 10을 참조하면, 제 2 보상 링크(542)의 길이는 제 2 가상 라인(514)의 길이와 동일하게 제공될 수 있다. 보상 부하(546)의 위치는 제 2 보상 링크(542)의 단부가 된다. 제 2 보상 링크(542)의 질량은 추가질량에 비해 작게 제공되어 무시될 수 있다. 보상 부하(546)는 제 2 보상 링크(542)의 단부에 추가질량을 위치시켜 제공할 수 있다. 추가질량의 크기는 다음과 같이 제공될 수 있다.
Figure pat00033
상술한 바와 같이 제 2 보상 링크(542)의 질량을 무시하고 추가질량의 위치를 정한 경우, 제 2 보상 링크(542)의 단부와 제 2 등가 링크(552)의 단부를 잊는 선은 제 1 관절(511)을 지나지 않는다. 이때, 제 2 보상 링크(542)의 단부와 제 2 등가 링크(552)의 단부를 잊는 선이 제 1 관절(511)에 인접하도록 추가질량의 위치를 설정하면, 등가 질량(553)에 의한 모멘트는 추가질량에 의해 충분히 상쇄될 수 있다.
도 11은 다른 실시 예에 따른 보상 유닛을 갖는 다관절 암을 나타내는 도면이다.
도 11을 참조하면, 제 1 링크(610)의 일단에는 제 1 관절(613)이 위치된다. 제 1 링크(610)의 타단은 제 2 관절(614)에서 제 2 링크(611)의 일 지점과 회전 가능하게 결합 된다. 제 2 링크(611)의 단부에는 작업 부재(618)가 위치될 수 있다. 또한, 작업 부재(618)는 생략될 수 있다. 보상 링크(612)는 제 1 링크(610)와 나란하게 위치된다. 보상 링크(612)는 제 1 링크(61)와 나란하게 위치될 수 있다. 보상 링크(612)는 제 1 링크(610)보다 길게 제공될 수 있다. 보상 링크(612)의 일단은 제 2 관절(614)에 인접하게 위치되고, 보상 링크(612)의 타단은 제 1 관절(613)을 기준으로 제 2 링크(611)의 반대쪽에 위치된다. 보상 링크(612)의 타단에는 보상 부하(617)가 위치된다. 보상 링크(612)와 보상 부하는 보상 유닛을 이룬다. 보상 링크(612)의 일단은 보상 관절(615)에서 제 2 링크(611)의 일단과 회전가능하게 연결된다. 제 1 링크(610)와 보상 링크(612) 사이에는 위치 이동 부재(616)가 제공된다. 위치 이동 부재(616)는 제 1 링크(610) 또는 제 2 링크(611)가 회전되어도, 보상 링크(612)가 제 1 링크(610)가 나란하게 되도록 한다. 예를 들어, 위치 이동 부재(616)는 연결 링크(616)로 제공될 수 있다. 제 1 링크(610)의 일 지점과 보상 링크(612)의 일 지점은 연결 링크(616)로 연결된다. 연결 링크(616)는 제 2 링크(611)와 나란하게 제공된다. 연결 링크(616)의 양단, 제 2 관절(614) 및 보상 관절(615)을 연결하는 선은 제 2 링크(611)가 회전되어도 항상 평행사변형을 이룬다.
도 12는 도 11의 다관절 암의 개략도이다.
도 12를 참조하면, 다관절 암(600)은 등가 모델로 변환될 수 있다. 제 1 등가 링크(620), 제 2 등가 링크(621) 및 등가 질량(622)은 도 1 내지 도 3의 과정으로 구해진다. 제 1 가상 라인(623)은 제 1 관절(613)에서 제 1 등가 링크(620)의 반대쪽으로 연장된다. 제 1 가상 라인(623)은 보상 링크(612)와 나란하다. 제 1 가상 라인(623)의 길이와 제 1 링크(610)의 길이의 합은 보상 링크(612)의 길이와 같다. 제 2 가상 라인(624)은 제 1 가상 라인(623)의 단부와 보상 링크(612)의 단부를 연결한다. 제 2 가상 라인(624)의 양단, 제 2 관절(614) 및 보상 관절(615)은 평행사변형을 이룬다. 제 2 링크(611)가 회전되어도, 제 2 가상 라인(624)은 제 2 링크(611)와 항상 평행하다. 제 1 가상 라인(623) 및 제 2 가상 라인(624)은 수학식 13 또는 수학식 14로부터 구할 수 있다. 제 2 가상 라인(624)의 단부에는 보상 부하(617)가 위치된다.
도 13은 또 다른 실시 예에 따른 보상 유닛을 갖는 다관절 암을 나타내는 도면이다.
도 13을 참조하면, 제 1 링크(710)는 제 1 관절(713)을 중심으로 회전된다. 제 1 링크(710), 제 2 링크(711) 및 보상 링크(712)의 연결관계는 도 11과 동일하므로 반복된 설명은 생략한다. 보상 부하(719)는 보상 링크(712)의 단부에 위치된다. 보상 부하(719) 및 보상 링크(712)는 보상 유닛을 이룬다. 연결 링크(716)의 무게중심은 제 1 링크(710)에 회전가능하게 연결되고, 연결 링크(716)의 일 단은 보상 링크(712)에 회전가능하게 연결된다. 연결 링크(716)의 타단에는 보조질량(717)이 위치된다. 연결 링크(716)는 제 2 링크(711)와 나란하게 제공된다. 연결 링크(716)의 일부, 제 2 관절(714) 및 보조관절(715)을 연결하는 선은 제 2 링크(711)가 회전되어도 항상 평행사변형을 이룬다.
도 14는 도 13을 간략히 나타낸 도면이고, 도 15는 도 14를 간략히 나타낸 도면이다.
도 14를 참조하면, 연결 링크(716)의 일 단은 보상 링크(712)의 무게 중심(720)에 연결된다. 보조질량(717)의 크기는 보상 링크(712)의 질량과 동일하게 제공될 수 있다. 보상 링크(712)의 질량, 연결 링크(716)의 질량 및 보조질량(717)의 합은 보조 등가질량(도 15의 730)이라 할 수 있다. 제 1 가상 라인(721) 및 제 2 가상 라인(722)은 도 12의 제 1 가상 라인(623) 및 제 2 가상 라인(624)과 동일하므로 반복된 설명은 생략한다.
도 15를 참조하면, 보조 등가질량(730)은 제 1 링크(710) 상에 위치된다. 보조 등가질량(730) 및 제 1 링크(710)의 질량(723)은 도 2의 제 1 링크(310)의 질량에 대응된다. 제 2 링크(711)의 질량(724)은 도 2의 제 2 링크(320)의 질량에 대응되고, 작업 부재(718)의 질량은 도 2의 작업 부재(323)의 질량에 대응된다. 따라서, 도 2 내지 도 4의 과정에 따라, 제 1 가상 라인(721)의 길이, 제 2 가상 라인(722)의 길이 및 보상 부하(719)의 크기를 구할 수 있다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내어 설명하는 것이며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 저술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 최선의 상태를 설명하는 것이며, 본 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
100: 바디 200: 다관절 암
210: 상부 암 211: 제 1 구동기
220: 하부 암 221: 제 2 구동기
230: 작업 부재 310: 제 1 링크
312: 제 1 무게중심 320: 제 2 링크
322: 제 2 무게중심 410: 제 1 등가 링크

Claims (10)

  1. 바디;
    제 1 관절에서 상기 바디에 회전가능 하게 결합 되는 제 1 링크와, 제 2 관절에서 상기 제 1 링크에 회전가능 하게 결합 되는 제 2 링크를 포함하는 다관절 암; 및
    상기 다관절 암의 무게에 의해 발생 되는 모멘트를 상쇄하는 보상 모멘트를 발생시키는 보상 유닛을 포함하되,
    상기 보상유닛은,
    상기 보상 모멘트를 발생시키는 보상 부하; 및
    상기 보상 부하가 상기 제 1 관절을 기준으로 상기 다관절 암의 반대 방향에 위치되도록, 상기 보상 부하와 상기 다관절 암을 연결하는 보상 링크를 포함하는 다관절 암을 가진 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 관절을 기준으로 상기 제 1 링크의 반대 방향으로 연장되는 제 1 가상 라인, 상기 제 1 가상 라인의 단부에서 상기 제 1 가상 라인에 대해 회전되는 제 2 가상 라인이 제공될 때,
    상기 보상 부하는 상기 제 2 가상 라인의 단부에 위치되는 다관절 암을 가진 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 링크와 상기 제 2 링크가 이루는 각도는 상기 제 1 가상 라인과 상기 제 2 가상 라인이 이루는 각도와 동일하게 제공되는 다관절 암을 가진 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 다관절 암은 상기 바디에 대해 상기 제 1 링크와 동일한 각도를 갖는 제 1 등가 링크; 상기 제 1 링크에 대해 상기 제 2 링크와 동일한 각도를 갖는 제 2 등가 링크; 및 상기 다관절 암의 질량과 질량이 동일하고 상기 제 2 등가 링크의 단부에 위치되는 등가 질량을 포함하는 가상의 등가 모델로 변환되면,
    상기 제 2 가상 라인의 단부와 상기 제 2 등가 링크의 단부를 잊는 선은 상기 제 1 관절에 인접하게 되는 다관절 암을 가진 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 보상 부하와 상기 다관절 암의 무게는 상기 제 2 등가 링크의 단부와 상기 제 1 관절을 잊는 선과 상기 제 2 가상 라인과 상기 제 1 관절을 잊는 선의 비와 동일하게 제공되는 다관절 암을 갖는 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 보상 링크는 일단은 상기 제 2 관절에 인접하고 타단은 상기 제 1 관절을 기준으로 상기 제 2 링크의 반대쪽에 위치되도록, 상기 제 1 링크와 나란하게 위치되고,
    상기 보상 링크와 상기 제 1 링크 사이에는 연결링크가 제공되되, 상기 연결링크의 양단은 상기 보상 링크 및 상기 제 1 링크에 각각 회전 가능하게 결합 되는 다관절 암을 가진 장치.
  7. 제 1 관절에서 바디에 회전 가능하게 결합되는 제 1 링크 및 상기 제 1 링크에 회전 가능하게 결합되는 제 2 링크를 포함하는 다관절 암에 작용하는 모멘트들 상쇄하는 중력 보상 방법에 있어서,
    상기 제 1 관절을 기준으로 상기 다관절 암의 단부의 반대 방향에 보상 부하를 위치시켜 상기 모멘트를 상쇄하되, 상기 보상 부하에 의한 보상 모멘트는 상기 모멘트와 반대 방향으로 발생 되는 중력 보상 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 다관절 암이 상기 제 1 관절을 기준으로 회전되는 제 1 등가 링크, 상기 제 1 등가 링크의 단부에 회전가능하게 결합 되는 제 2 등가 링크 및 상기 제 2 등가 링크의 단부에 위치되는 등가 질량을 포함하는 등가 모델로 변환되면,
    상기 바디와 상기 제 1 등가 링크가 이루는 각도는 상기 바디와 상기 제 1 링크가 이루는 각도와 동일하고, 상기 제 1 등가 링크와 상기 제 2 등가 링크가 이루는 각도는 상기 제 1 링크와 상기 제 2 링크가 이루는 각도와 동일한 중력 보상 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 등가 질량과 상기 보상 부하를 잊는 선이 상기 제 1 관절에 인접하도록 상기 보상 부하를 위치시키는 중력 보상 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 보상 부하와 상기 등가 질량의 비는 상기 등가 질량에서 상기 제 1 관절까지의 거리와 상기 보상 부하에서 상기 제 1 관절까지의 거리의 비와 동일하게 제공되는 중력 보상 방법.
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